基于RFID的实验室电子指导系统设计

付丽琴 杨晓光

1.北京经济管理职业学院 北京 100102

2.中国电子科学研究院 北京 100041

实验不仅能加深学生对理论知识的理解，还是培养学生动手能力和创新意识的重要环节。传统课程实验的设置通常分为验证性实验、设计性实验和综合性实验。验证性实验的教学分为以下几个阶段：教师讲解和演示，学生操作，完成实验报告。设计性实验和综合性实验是学生自行设计实验方案，在规定的学时内完成实验内容。传统实验模式具有以下缺陷：实验内容是教师提前规定的，制约了学生自主能力；学时有限，规定实验常常做不完，更没有时间完成自选实验；遇到问题直接向教师求助，制约了学生的独立探究能力等。

开放实验室和开放实验项目是克服传统实验模式缺陷、启迪学生独立思考能力和探索精神的重要手段。实验室开放一方面使得学生可以自主选择实验的时间、内容和时长，另一方面也对指导教师提出了更高的要求。为了解决二者间的矛盾，设计一种实验室专用的电子指导系统势在必行。

对电子指导(E-coaching)的研究始于20世纪末的美国，电子指导被认为是面授指导的补充[1]，其核心技术手段一般是e-mail、社交网络空间和聊天室等远程文字信息技术[2]。戈德史密斯认为未来学习中电子指导将占据重要地位，他指出，利用电子指导可以在任何时候、从任何渠道获取所需要的知识[3]。随着信息技术的发展，电子指导中的技术手段也愈来愈丰富，本文提出一种综合射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和音频技术的实验室专用的电子指导系统。

1 系统总体设计

1.1 系统思路

RFID是一种非接触式的、可辨识特定目标并能读写数据的信息技术，可用于设备管理或流程跟踪等业务。将RFID应用于学校实验室的研究已取得了一些成果，但基本上是用来完成学生签到、预约等实验室管理项目的[4-6]，未有应用于实验指导的成果发表。设计了一款基于RFID技术的电子指导系统，为学生提供完成实验所必需的帮助，提高实验效率，同时降低教师工作量。

基于RFID的电子指导系统由电子标签和手持终端两部分组成。手持终端集成射频阅读器、语音等功能模块，内置相关实验设备或内容的指导信息，并由无线射频模块发送和接收信号。电子标签预先放置在需要进行电子指导的设备或实验平台的合适位置，每一个电子标签具有唯一的出厂前被设定好了的电子编码。学生在实验室入口处取用手持终端并在实验过程中随身携带，射频阅读器一直发送射频信号，并接收应答信号。当学生进入电子标签覆盖的区域时，相应的电子标签接收到手持终端所发射的信号后，将自身的电子编码反馈给手持终端，手持终端找寻到对应编号的文本或音频信息并自动显示或播放。

电子指导可无限次重复指导相同的内容，也可随时通过按键结束当前内容的指导，而切换到下一内容。在减少教师工作量的同时，学生也具有更大的自主选择权，可以对自己所感兴趣的设备或内容随时进行了解。学生实验完毕后将手持终端归还。

1.2 系统方案

电子指导系统集成了射频识别、嵌入式系统以及信号处理等多种信息技术，主要由主控模块、无线射频识别模块、语音模块、文本模块等组成。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

本系统中，主控制器通过射频识别模块识别放置在实验室不同位置的电子标签，然后从语音存储器中提取相应编号的音频信息，驱动语音播报模块进行播放；同时，从文本存储器提取相应编号的文本信息，驱动文本显示模块进行显示。

系统还提供了录音功能，既可以完成实验指导内容的提前录制，也可以作为实验过程中学生反馈意见的渠道，使用者可利用此模块将自己的意见或改进方案录入其中，方便与其他使用者或管理员直接交换意见，录制好的音频被保存到语音存储器的相应位置，并进行编号。

按键模块用于人工干涉，例如，选择系统工作状态(如录音或播报)、调节语音播报的音量大小等。系统的各个模块间相互关联，共同完成实验指导的功能。

1.3 系统使用流程

1.3.1 准备阶段

(1)合理放置电子标签

在实验室各设备的显眼位置粘贴电子标签以方便识别。

(2)指导内容的输入和存储

电子指导系统在使用之前需要预先存储关于指导内容的文字信息和语音信息。实验指导的内容主要包括两方面：实验平台或设备的使用步骤与注意事项，实验平台或设备的实验参考。教师可通过精心设计指导内容，引导学生自主探究和修正实验方案，自主完成实验。

指导内容的输入和存储都可以预先通过PC机完成，然后利用专门接口将存储器与系统控制模块连接。系统还提供了录音功能。音频输入过程中，可通过调用放音模块检验刚刚录制过的语音；如果音频质量或内容有问题，可按键删除；录音和放音过程中还可通过专门按键改变指针所指向的存储器单元地址。录音过程中独立键控制功能如表1所示。

表1 录音过程中独立键控制功能

表1(续)

1.3.2 使用阶段

学生在实验室入口处取用手持终端并在实验过程中随身携带。使用过程中，射频阅读器一直发送射频信号，并接收应答信号，当发现电子标签时，提取其电子编码，然后根据电子编码以文字和音频形式提供相应的指导信息。系统工作主流程如图2所示。

此外，利用系统中断功能，当按下终止键时，结束当前操作，阅读器重新发送和接收射频信号，识别新的电子标签。

1.3.3 维护阶段

在投入使用后，可根据学生的反馈意见或实验设备升级的情况进行实验指导内容的修改，其实现非常简单，只需重写或增删文本存储器和语音存储器的内容即可，系统的其他模块皆不需要改变。

图2 电子指导系统的工作流程

2 系统实现

2.1 射频模块

无线射频识别(RFID)模块主要由天线、电子标签(应答器)和信号接收机(阅读器)3个部分组成。电子标签附在物体上用来标记其属性，当使用者对某实验设备感兴趣时，用手持终端(包含了阅读器)对准电子标签实现“刷卡”，即接收来自电子标签的应答信号，然后识别其电子编码，系统根据电子编码执行后面的操作。

MF-RC500系列无线射频模块是Philips公司设计的高集成度的、工作于13.56 MHz的非接触式专用读卡芯片，具有开发成本较低，尺寸较小的优点。本系统中，信号接收机(阅读器)选用MF-RC500系列中的MFRC-522读写卡芯片，RC-522可支持UART通信、I2C通信和SPI通信等多种主机接口；电子标签(应答器)选择支持ISO 14443A标准的MIFARE卡，具有多种调制方法和传输速率(如图3所示)。

图3 射频识别模块原理

2.2 语音模块

语音模块包括语音输入、语音存储和语音输出3个部分。语音模块的硬件结构主要由音频输入设备(麦克风)、语音存储器、语音转换电路和语音输出设备(耳机或扬声器)组成。语音芯片是该模块的核心器件，系统选用华邦ISD公司推出的可实现语音录放的ISD1700芯片。系统通过按键来切换录音和放音两种工作状态。为了保证播报的音频质量更加优美，音频转换电路中需增加滤波、降噪、放大等微型电路，实现噪声降低和音频信号放大功能。

语音模块有3种工作状态：人工干涉录音、人工干涉放音和自动放音。三种状态的切换关系如下：

按下“录音键”，系统进入人工干涉录音状态，通过麦克风输入的音频信息将被保存到专门的语音存储器中。当松开“录音键”后，录音结束，此时，录音指针指向下一段音频的有效地址，而放音指针则指向刚录好的那段音频地址。

按下“放音键”，系统进入人工干涉放音状态，开始播放当前放音指针所指向的音频，直到本段音频结束或松开放音键。

当“录音键”和“放音键”都未按下，系统处于射频触发语音播报状态，系统通过射频模块读取电子标签的编码信息，然后触发语音芯片播放与电子编码相对应的音频，直到本段音频结束。

使用者还可利用复位、快进、音量控制等按键来改变放音内容或音量大小。

2.3 文本模块

文本模块包括文本存储器和显示器两个部分。文本存储器中保存了提前输入的关于实验设备或内容的文字说明。文本显示器采用LCD液晶显示，由控制器驱动，显示当前电子标签所对应的文本信息，方便使用者在收听音频讲解时及时查看未听清楚或遗漏的内容。

2.4 主控制器

主控制器实现对其他硬件的管理，完成数据输入、数据简单分析和硬件驱动。一般的单片机和嵌入式芯片都可以满足需求。

作为一款易于学习、资料获取方便的微控制器，Arduino在使用上已经逐步趋向于成熟，为系统设计带来很大便利。本系统选用性价比较高的Arduinouno单片机作为主控制器，其具有低功耗、全面开源、以及支持SPI通信标准等优点。

3 结语

实验室开放是培养学生动手能力和创新意识的重要手段，电子指导技术在一定程度上解决了开放实验室中的实验指导问题。相对于以e-mail或即时通讯等技术为基础的电子指导，基于RFID的电子指导系统具有更好的实时性、独立性和自主性。并且，由于系统同时提供文字和音频两种形式的指导，更加人性化；利用控制键随时播放、结束或跳转不同的指导信息，更具有灵活性和便捷性。